水泥基渗透结晶型防水涂料的制备与性能研究

光鉴淼，吴其胜，邹小童（.河海大学，江苏南京　0098；.盐城工学院，江苏盐城　405；.安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽淮南　00）



水泥基渗透结晶型防水涂料的制备与性能研究

光鉴淼1，吴其胜2，邹小童3
（1.河海大学，江苏南京210098；2.盐城工学院，江苏盐城224051；3.安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽淮南232001）

摘要：以硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣为主要原料，辅以硅灰、有机硅助剂和无机硅为硅源，以可再分散性乳胶粉改善粘结性，制备复合型水泥基渗透结晶型防水涂料，对防水涂料进行XRD、SEM、FT-IR和EDS等微观分析。结果表明，去涂层砂浆的28 d抗渗压力为1.0 MPa，28 d抗压强度为53.8 MPa，带涂层砂浆的28 d抗渗压力比为350%。该涂料具有较好的渗透结晶作用，形成斜方钙沸石、钙矾石和水化硅酸钙凝胶（C-S-H）等水化产物。

关键词：渗透结晶；防水涂料；抗渗压力；渗透深度

0 引言

水泥基渗透结晶型防水涂料是一种用于水泥混凝土的刚性防水材料，其与水作用后，材料中含有的活性化学物质以水为载体在混凝土中渗透，与水泥水化产物生成不溶于水的针状结晶体，堵塞毛细孔道和微细裂缝，从而提高混凝土的致密性与防水性。1942年由德国化学家Lauritz Jensen（劳伦斯·杰逊）在解决水泥船渗漏水的实践中发明［1］。与其它有机或无机防水材料相比，防水涂料渗透结晶后形成的水化产物层能够与基层混凝土或水泥砂浆成为一体，弥补了涂层覆盖型无机防水材料对变形缝、应力缝、收缩缝等因再次开裂而引起的裂缝防水缺陷，具有二次抗渗性及与水泥混凝土良好的相容性［2］。水泥石结构内部存在大量的Ca（OH）2和游离Ca2+，掺有活性化学物质的水泥基渗透结晶型防水涂料中具有良好的渗透作用，随着水渗透进入水泥石内部，与其中的Ca（OH）2和游离Ca2+发生化学反应，生成不溶于水的针状结晶体，增加混凝土和水泥砂浆内部结构的密实性，减小结构中的孔隙率，以达到防水的效果。

目前国内对这种材料的研究主要是集中在材料的应用方面，对于涂料本身性能研究不具体，尤其是抗裂性能以及与基体的粘结性能方面［3］。水泥基渗透结晶型防水涂料应用时最大的问题是与混凝土基体的相容性，可以与基体形成一致结构，不易开裂剥落。为此，本文研究一种粘结性高、力学性能优异的复合型水泥基渗透结晶型防水材料，主要应用于材料的背水面防水，使混凝土结构致密，达到整体防水的效果，这些性能的研究可解决居民生活和工程施工方面的渗漏问题［4-6］。还进一步研究了该种材料的微观结构和其中的活性物质在内部发挥的作用和对整体结构改善的机理。

1 实验

1.1 原材料

所用水泥为江苏八菱海螺水泥有限公司提供的P·O42.5水泥，粒化高炉矿渣（GGBFS）经研磨过200目筛，水泥和粒化高炉矿渣（GGBFS）的主要化学组成见表1。采用硅灰调节原料的硅钙比。可再分散性乳胶粉：DS-05型，乙烯、醋酸乙烯共聚物，白色粉末，固含量≥98%，鼎盛化工生产。有机硅助剂：甲基硅酸钠（SMS），固含量≥25%，无色或淡黄色液体，分析纯，济南兴飞隆化工生产。无机硅外加剂：水玻璃，固含量41.17%，含有20.25%Na2O、20.92%SiO2和58.83%的水，模数为2.0。实验中使用的砂为ISO标准砂。

表1 水泥、粒化高炉矿渣的主要化学组成　%

1.2 实验方法与仪器设备

实验按照GB18445—2012《水泥基渗透结晶型防水材料》进行，以L9（34）正交试验表配比（见表2）按照配比制作40 mm×40 mm×160 mm试件进行抗折、抗压试验；制作标准砂浆基体试件，1 d后脱模，按照设计配比制备防水涂料涂覆至表层，2次涂刷后，移至标准养护箱养护至28 d后测试一次抗渗压力，采用8字模测量防水涂料的拉伸粘结强度。实验优选物理性能较优组试样，并采用XRD、SEM、FT-IR及EDS对其进行分析和性能表征，进一步研究水泥基渗透结晶型防水涂料渗透结晶的作用机理［7-8］。

表2 正交实验因素水平

2 结果与讨论

2.1 宏观物理性能

根据正交试验表的方案，以抗压强度和一次抗渗压力为实验结果的考核指标来确定涂料的配方。正交实验结果与分析见表3。

表3 实验结果及分析

由表3可知，影响28 d抗压强度的因素主次顺序为B＞D＞C＞A，即粒化高炉矿渣掺量的影响最大，其后依次为水玻璃掺量、有机硅掺量和硅灰掺量；影响一次抗渗压力的因素主次顺序为B＞A＞C＞D，即粒化高炉矿渣掺量的影响最大，其后依次为硅灰掺量、有机硅掺量和水玻璃掺量。粒化高炉矿渣掺量对抗压强度和抗渗压力的影响都是最大的，而且当掺量为25%时两方面的性能都是最优的。硅灰掺量对抗渗性能的影响较重要，但对于抗压强度影响并不是很大，而水玻璃掺量对抗压强度的影响较大，综合2项指标优选出第2组为最优组，即粒化高炉矿渣掺量为25%，硅灰掺量为2%，有机硅掺量为4%，水玻璃掺量为3%。

按照最优组配比制备涂层，按GB 18445—2012进行相关性能测试，结果见表4。

涂料层的抗折、抗压强度高低可以判断涂料层承受外力的大小，实验结果显示，涂料层足够承受较大的外力；基体能否与涂料之间形成整体防水，是从粘结强度来判断，从试验结果可知：粘接强度较高，涂料能够与基体很好地粘结在一起形成整体防水，涂料与基体之间具有良好的粘结性，说明可再分散乳胶粉在涂料层与基体层的粘结方面发挥了一定作用。通过对比带涂层与去涂层砂浆的抗渗压力可知，涂层能够抵抗一定的水压。去涂层的抗渗压力是直接衡量渗透结晶活性高低的指标［9-11］，同时反映水泥基渗透结晶型防水涂料对混凝土自动修复性能的优劣，由表4可以清楚地反映该涂料具有良好的渗透结晶性能。按照该配比进行实验获得的宏观物理性能达到并远优于GB18445—2012标准要求，说明该涂料具有良好的力学性能，具有可施工性，在抗渗堵漏方面可以发挥良好的作用。

表4 宏观物理性能与GB 18445—2012要求

2.2 XRD物相分析

通过XRD对28 d的试样水化产物的物相进行分析。图1分别为涂层、中间过渡层、基体层的XRD图谱。

图1 XRD图谱分析

由图1可见，主要的水化产物为斜方钙沸石、钙矾石和水化硅酸钙凝胶（C-S-H），涂层在衍射角2θ在25°～35°范围出现了C-S-H弥散峰，说明有未定型的胶凝材料生成；对比发现，中间过渡层水化产物的衍射峰最强，说明水化产物的结晶度最高，数量也最多，说明此界面上的水化效果最佳，原料之间的反应最完全，涂层与基体层之间完成了较好的过渡，涂料层的活性物质完成了一定量的渗透［12-13］。

2.3 傅立叶红外光谱分析

图2（a）为有机硅原料的红外分析图谱，在1647 cm-1处出现的伸缩峰是结合水的吸收峰；3379 cm-1处为Si—OH基团的伸缩动特征峰；架状结构硅酸盐中主要存在的Si—O—Si（或Si—O—Al），在950～1200 cm-1范围内有Si—O—Si的非对称性振动，983 cm-1即属于此范围内，为Si—O—Si的非对称性振动峰；图2（b）为28 d涂层的红外分析，1419 cm-1处为羧酸中的O—H弯曲振动峰；958 cm-1处为Si—O—Si的非对称性振动。与有机硅特征峰对比可知，3379 cm-1处Si—OH基团的伸缩动特征峰消失了，说明其中的硅元素已经与水泥中的元素反应，形成硅氧四面体结构。涂层的Si—O—Si键与有机硅的Si—O—Si键的位置发生了偏移下降至958 cm-1，证实了涂层中的有机硅发生了反应。

图2 有机硅原料和涂层的FT-IR图谱

2.4 扫描电镜照片及X射线能谱分析（见图3、图4）

图3 涂层、过渡层和基体层的扫描电镜照片

图4 涂料层、过渡层和基体层的X射线能谱分析

由图3扫描电镜照片分析［14］可得：涂层主要水化产物的形状为不规则的板状，成簇生成或呈花朵状，为钙矾石和Ⅰ型C-S-H凝胶，中间过渡层其水化产物的形状主要为针棒状，为Ⅱ型C-S-H凝胶和钙矾石；基体层水化产物的形状为水泥颗粒向外辐射生长的细长条状物质和片状物质，为Ⅰ型C-S-H凝胶和Ca（OH）2。

由图4分析可知，能谱图显示出各层次的主要元素为Ca、Si、O、Al，涂层中Si元素的含量为6.47%，中间过渡层Si元素的含量为7.49%，基体层Si元素的含量只有1.15%。对比分析得出的结论为：水泥基渗透结晶型防水涂料在不同的层次上生成不同的水化产物，主要在中间过渡层出现较好的水化效果，说明涂层的活性化学物质产生了渗透结晶作用，渗透到基体试件内部与其中的Ca（OH）2发生反应，生成新的胶凝产物。

3 结论

（1）按照最佳配比制备的复合型水泥基渗透结晶型防水涂料具有良好的力学性能和高粘结性以及优异的抗渗堵漏作用。

（2）傅立叶转换红外光谱（FT-IR）分析表明，涂层中有机硅原料的加入提供了活性硅源，并与其它原料反应生成了Si—O—Si键，形成了硅氧四面体结构。

（3）通过采用XRD、扫描电镜、X射线能谱分析等微观机理分析，对宏观性能的优异性进行了较好的佐证。涂层的主要水化产物为斜方钙沸石、钙矾石和水化硅酸钙凝胶（C-S-H）。综合扫描电镜与能谱分析定性地说明出了涂料的渗透作用，具体的渗透深度有待进一步研究。

参考文献：

［1］蒋正武.从混凝土技术发展看水泥基渗透结晶型防水材料［J］.中国建筑防水，2007（11）：10-13.

［2］余剑英，王桂明.YJH.渗透结晶型防水材料的研究［J］.中国建筑防水，2004（9）：13-17.

［3］薛绍祖.国外水泥基渗透结晶型防水材料的研究与发展［J］.中国建筑防水，2001（6）：9-12.

［4］鲍旺，韩冬冬，倪坤，等.水泥基渗透结晶型防水涂料作用机理研究机理和进展［J］.新型建筑材料，2011（9）：79-83.

［5］Mather B.Crystal Growth in Entrained-Air Voids［J］.Concrete International，2001，23（5）：35-36.

［6］Keck R H.Improving concrete durability with cementitious materials［J］.Concrete International，2001，23（9）：47-51.

［7］吴明.对水泥基渗透结晶防水涂料的几点思考［J］.中国建筑防水，2011（17）：4-9．

［8］刘红叶.水泥基渗透结晶型防水材料的研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2004．

［9］杨久俊，张玉江，韩玉芳，等.FS-1新型水泥基复合防水涂料的研制［J］.混凝土与水泥制品，2009（6）：54-57.

［10］Fatemeh F. Bamoharrama.Synthesis of a nano organo-silicon compound for building materials waterproofing，using heteropolyacids as a green and eco-friendly catalyst［J］.Progress in Organic Coatings，2013，76：384-387.

［11］雷金山，阮波，孙利民，等.渗透结晶型防水材料的防水机理试验［J］.吉首大学学报，2008，29（4）：48-52.

［12］曾昌洪，张玉奇，李兴旺，等.水泥基渗透结晶型防水材料涂层基体的微观分析［J］.中国建筑防水，2006（11）：15-18.

［13］杨久俊，张玉江，韩玉芳，等.FS-1新型水泥基复合防水涂料的研制［J］.混凝土与水泥制品，2009（6）：54-57.

［14］徐明根.水泥基渗透结晶型防水材料渗透深度扫描电镜和能谱分析［J］.铁道科学与工程学报，2005（3）：67-70.

The preparation and performance study of the cementitious capillary crystalline waterproofing coating

GUANG Jianmiao1，WU Qisheng2，ZOU Xiaotong3
（1.Hohai University，Nanjing 210098，China；2.Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China；3.School of Material Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：With Portland cement and granulated blast furnace slag（GBFS）as main ingredients，prepared the composite cementitious capillary crystalline waterproofing coating，supplemented by silica fume，organic silicon fertilizer and inorganic silicon as the silicon source，redispersible emulsion powder，which can improve the cohesiveness. Microscopic mechanism was analyzed by X-ray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（SEM），fourier transform infrared spectrometer（FT-IR）and X ray energy spectrum analysis（EDS）. The experimental results show that the 28 d mortar permeability with coat is 3.5 times as high as that of the reference mortar，28 d permneabilty after removal of sample coat is 1.0 MPa，28 d compressive strength is 53.8 MPa. This coating has better permeable crystallization effect，forming hydrated products such as gismondine，ettringite（AFt）and hydrated calcium silicate gel（C-S-H）and so on.

Key words：capillary crystalline，waterproofing coating，permeability，penetration depth

中图分类号：TU56+1.65

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0058-04

基金项目：国家自然科学基金项目（55572234）

收稿日期：2015-09-21；

修订日期：2015-11-25

作者简介：光鉴淼，男，1989年生，江苏南京人，硕士，主要从事无机非金属材料研究。